C# 引用类型、值类型

CLR支持两种类型：引用类型和值类型，它们的区别是在内存分配方式上的差异：引用类型是从托管堆上分配的；值类型是在线程栈上分配的。而CLR的垃圾回收是针对托管堆的，因此值类型不受垃圾回收器的控制。

在FCL中，所有称为“结构”（struct）的类型都是值类型，所有称为“类”（class）的类型都是引用类型。所有的Struct都直接派生自抽象类System.ValueType，而System.ValueType直接从System.Object派生。所有的枚举都直接从System.Enum派生，而后者又派生自System.ValueType，所以枚举也是值类型。由于CLR的单继承规则，所以我们在定义值类型时，不能指定基类型，但可以实现接口。同时从下图生成的IL也可以看出，值类型是隐式密封的（sealed），也就是说也不能从值类型派生。

虽然引用类型与值类型实质只是内存分配上的差异，但这种差异会导致两种类型在行为表现上有着明显不同，比如下面的例子：

    struct ValType { public int x;}
    class RefType { public int x;}

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ValType v1 = new ValType(); //在栈上分配内存
            RefType r1 = new RefType(); //在堆上分配内存

            v1.x = 2;
            r1.x = 2;
            //执行到这里，内存结构请见图1

            Console.WriteLine(v1.x);   //2
            Console.WriteLine(r1.x);   //2

            ValType v2 = v1;    //在栈上分配内存（v2），并把v1栈的内容复制到v2
            RefType r2 = r1;    //把r1的堆地址复制给r2

            v2.x = 5;   //只改变v2栈的内容
            r2.x = 5;   //由于r2和r1都引用同一个堆上的对象，改变r2也会改变r1
            //执行到这里，内存结构请见图2

            Console.WriteLine(v1.x);    //2
            Console.WriteLine(r1.x);    //5 注意这里变成了r2修改后的值
            Console.WriteLine(v2.x);    //5
            Console.WriteLine(r2.x);    //5

            Console.ReadKey();
        }
    }

首先我们定义一个一值类型与一个引用类型，内部都只有一个字段。用new操作符分配内存时，值类型v1的内存分配在了线程栈上，引用类型r1的内存分配在了托管堆上，在程序运行到第一次WriteLine输出时，看到的结果是一致的。但接下来声明两个新的对象并执行赋值时，这里的发生的事明显不同：虽然赋值操作都是拷贝线程栈上变量的内容，但由于值类型变量v1的栈内容就是ValType类型实例本身，而引用类型r1的栈内容是RefType对象实例在堆上的地址。所以赋值后的结果就是，v1和v2各保存了一份ValType类型实例，而r1和r2保存了同一块堆内存的地址。所以改变r2对象导致了r1对象的随同改变。下面是内存示意图：

图1

图2

虽然值类型实例不需要垃圾回收，但由于值类型在传递时，传递的是内容本身，所以并不适合将所一些实例较大的类型定义为值类型。实现上除非满足以下所有条件，否则不应该将一个类型声明为值类型。

• 没有更改其字段的成员，即该类型是不可变的。（建议所有字段为readonly）
• 类型不需要从其他任何类型继承。（值类型不能选择基类）
• 类型也不会派生出其他任何类型。（所有的值类型都是隐式密封sealed的）
• 实例较小（约<=16Byte）或较大但不作为方法实参传递，也不从方法返回。

值类型的装箱与拆箱

将值类型转换成一个引用类型的过程叫装箱，整个过程看起来是这样的：

1. 在托管堆中分配好内存，分配的内存量=值类型的各个字段所需的内存量+所有堆上对象都有的两个额外成员（类型对象指针和同步块索引）所需的内存量。
2. 值类型的字段复制到新分配的内存。
3. 返回对象的地址。

拆箱仅是获取一个指针的过程，该指针指向包含在一个对象中的原始值类型（数据字段）。虽然拆箱比装箱代价低，但实际在拆箱之后往往紧接着就是赋值操作（内存复制）。显然装箱和拆箱/复制会对应用程序的速度与内存消耗上产生不利影响，所以应该了解到这一点，并尽量避免装箱和拆箱操作。那么什么时候会发生装箱和拆箱，最直观的方法就是看生成的IL代码（IL对应指令是分别是box与unbox），比如下面的例子：

示例中ArrayList的Add方法参数是Object类型，也就是说一个引用类型（在堆上分配的内存），当我们传递int类型时，这里便会将int实例装箱，以返回一个堆上的地址。在将array[0]强制转型为int时，由于值类型int的对象是在线程栈上分配的，所以这里拆箱并紧接着发生赋值（内存复制）操作。同时为了对比，我加了引用类型的reference，可以看出引用类型是不会发生装箱与拆箱的。

那么如何避免（或减少）装箱与拆箱：

• 尽量使用泛型集合。
• 尽量将装箱与拆箱操作移到循环体之外。
• 定义一个方法如果可接收引用类型或值类型时，尽量不要将参数定义为object，可以考虑通过重载定义多个版本或定义泛型方法。

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